CN110771034B - 一种用于时分双工模式的功率放大电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于时分双工模式的功率放大电路，其特征在于，所述功率放大电路包括功率放大偏置电路(1)和时分双工切换电路(2)；所述功率放大偏置电路(1)用于在功率放大器中产生恒定的静态电流；所述功率放大偏置电路(1)包括第一场效应管和第二场效应管，并且，第一场效应管和第二场效应管形成镜像电流源；所述时分双工切换电路(2)用于切换串联至所述功率放大偏置电路(1)的门电路的电阻。该功率放大电路具有以下优点：满足快速时分双工切换的需求的同时，在射频放大器中保持静态电流恒定；由简单且造价较低的元件实现，易于集成到功率发射器的芯片，且成本较低。

Description

一种用于时分双工模式的功率放大电路
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于时分双工模式的功率放大电路。
背景技术
射频和微波放大器可在特定偏置条件下提供最佳性能。由偏置点建立的静态电流会影响线性和效率等关键性能指标。因此，即使环境和器件温度发生显著变化，仍需适当地稳定射频放大器的偏置点，以维持静态电流恒定。
在即将到来的5G时代，大规模的MIMO技术将被广泛应用于提高4G和5G频段的覆盖率和用户体验。软件工程师通常必须面对大规模MIMO技术所带来的、多达256个通道的功率放大器的实时偏置温度补偿(Temperature Compensation，TC)。此外，为了获得功率放大器的工作温度作为SW温度补偿(TC)的参考，需要在每一个功率放大器附近放置一个温度传感器。这导致了对大量的信号线路(数字温度传感器，如SPI接口)或ADC通道(模拟温度传感器，模拟值通过ADC转换成数字值)的需求。这无疑增加了印制电路板(Printed CircuitBoard，PCB)尺寸和复杂度以及元件成本。
为了改善这种情况，一种纯硬件的偏置TC设计被提出。有源偏置补偿电路能在功率放大器的静态电流下获得良好的热跟踪效果，并且由于所需元件不多，可以很容易地集成到目标功率放大器器件中。由于频谱划分的灵活性，时分双工(TDD)仍然是5G技术的关键要素。然而，传统的有源偏置补偿放大器在TDD工作模式下会面临两难选择，因为阻值较大的反馈电阻有利于热跟踪，但对TDD偏置开关速度不利。
图1示出了一种现有的TDD射频/射频功率放大器电路的示意图。场效应管Q1作为主功率发射器，在工作温度变化的情况下，通过软件控制电压Vg来保持其偏置电流恒定，因此需要一个温度传感器。还需要相关的***资源ADC和FPGA。对于大规模的MIMO应用程序(最多256个通道)，大量的温度传感器、ADC和FPGA资源导致PCB尺寸和成本的增加。由于每一个功率发射器的偏置电流都需要保持恒定，所以同时采用大量功率放大器会导致软件资源消耗。
因此，如图1所示的方案对于4G等较少的信道应用是可以接受的，但对于5G时代，特别是大规模MIMO应用，硬件和软件成本的巨大增长是不可接受的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于时分双工模式的功率放大电路。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于时分双工模式的功率放大电路，其特征在于，所述功率放大电路包括功率放大偏置电路和时分双工切换电路；
所述功率放大偏置电路用于在功率放大器中产生恒定的静态电流；所述功率放大偏置电路包括第一场效应管和第二场效应管，并且，第一场效应管和第二场效应管形成镜像电流源；
所述时分双工切换电路用于切换串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过镜像电流源的设计，并通过时分双工切换电路来切换串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻，从而在满足快速时分双工切换的需求的同时，在射频放大器中保持静态电流恒定；根据本发明的功率放大电路由简单且造价较低的元件实现，无需额外的温度传感器、ADC或FPGA等器件，从而易于集成到功率发射器的芯片，且成本较低。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示意出了一种现有的TDD射频/射频功率放大器电路的示意图；
图2示意出了根据本发明的一种功率放大电路的示意图；
图3示意示出了根据本发明的一个优选实施例的功率放大电路的示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图2示出了根据本发明的一种功率放大电路的示意图。
优选地，根据本发明的功率放大电路包含于放大器中。
更优选地，根据本发明的功率放大电路包含于TDD射频拉远头(Remote RadioHead，RRH)中。
参照图2，根据本发明的功率放大电路包括功率放大偏置电路1和时分双工切换电路2。
所述功率放大偏置电路1用于在功率放大器中产生恒定的静态电流。所述功率放大偏置电路包括第一场效应管和第二场效应管，并且，第一场效应管和第二场效应管形成镜像电流源。
所述时分双工切换电路2用于切换串联至所述功率放大偏置电路1的门电路的电阻。
其中，所述时分双工切换电路2的一端与电容装置相连，所述电容装置由多个耦合的电容器组成。所述电容装置用于滤波和储能。
优选地，所述第一场效应管作为射频功率放大器，所述第二场效应管作为第一场效应管的镜像，如果第二场效应管中的静态电流保持恒定，则第一场效应管中的静态电流保持恒定。
优选地，所述时分双工切换电路2基于以下规则对串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻进行切换：在偏置电压的瞬态切换期间，串联至所述功率放大偏置电路1的门电路的电阻为阻值小的电阻，以满足快速时分双工转换的要求；在环境温度变化时，串联至所述功率放大偏置电路1的门电路的电阻为阻值大的电阻，以在功率放大偏置电路中获得较好的静态电流温度补偿。
优选地，所述时分双工切换电路2包括多个开关三极管，一个二极管，以及多个电阻。
其中，所述开关三极管通过控制Vgs电压的开关来切换串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻。
所述二极管用于对开关三极管的进行补偿由于三极管Vbe电压随温度变化而带来的开启时间的变化。
优选地，所述开关三极管和二极管采用同类半导体材料，以获得较好的温度补偿效果。
优选地，在所述功率放大偏置电路1和时分双工切换电路2之间还包括电阻，该电阻用于抑制功率放大偏置电路所产生的振荡峰值。
图3示出了根据本发明的一个优选实施例的功率放大电路的示意图。参照图3，该功率放大电路包括功率放大偏置电路和时分双工切换电路。该功率放大偏置电路用于在功率放大器中产生恒定的静态电流。该时分双工切换电路用于切换串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻。
其中，该功率放大偏置电路包括两个场效应管：Q1和Q2；该时分双工切换电路包括三个开关三极管：Q3、Q4和Q5，一个二极管D1，以及8个电阻：R2至R9，其中，R2的阻值大于1kohm，R3的阻值小于10ohm(R3的阻值可以根据TDD的收发切换速度决定，它和C1的乘积为时间常数，如果C1不变，R3越小则切换时间越短)。
该时分双工切换电路的一端与电容装置C1相连，该电容装置C1由多个耦合的电容器组成，C1的另一端接地。在时分双工切换电路和功率放大偏置电路之间，连接有电阻R1和扼流电感L1，用于抑制功率放大偏置电路所产生的振荡峰值。
在功率放大偏置电路中，Q1作为射频功率放大器，Q2作为第一场效应管的镜像，如果Q2中的静态电流保持恒定，则Q1中的静态电流保持恒定。
在时分双工切换电路中，Q3、Q4和Q5通过控制Vgs电压的开关来切换串联至功率放大偏置电路的门电路的电阻。开关三极管Q3、Q4和Q5和二极管D1采用同类半导体材料。D1可补偿Q4的Vbe电压随温度变化而带来的开启时间的变化。
该时分双工切换电路的工作原理如下：在偏置电压的瞬态切换期间，串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻为阻值小的电阻，以满足快速时分双工转换的要求；在环境温度变化时，串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻为阻值大的电阻，以在功率放大偏置电路中获得较好的静态电流温度补偿。
Vg设置为Q1的偏置电压。当Q3从开启变为关闭，Q5也从开启变为关闭。Vg，与R4、R5和D1一起构成分压器，其输出电压将Q4开启。D1补偿Q4的Vbe电压随温度变化而带来的开启时间的变化。然后，在Q4接通后，C1被R3充电。由于R3的阻值较小，可以满足快速TDD交换的要求。当C1的电压要接近想要的栅极电压(Vgs)，其等于或高于电压分压器的输出电压(VG，R4和R5)，Q4逐渐的由开启变为关闭。门电路中串联的电阻由R3(低值电阻)转变为R2(高值电阻)，则Q1工作时可获得良好的静态电流温度补偿。
根据本发明的方案，通过镜像电流源的设计，并通过时分双工切换电路来切换串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻，从而在满足快速时分双工切换的需求的同时，在射频放大器中保持静态电流恒定；根据本发明的功率放大电路由简单且造价较低的元件实现，无需额外的温度传感器、ADC或FPGA等器件，从而易于集成到功率发射器的芯片，且成本较低。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。***权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (7)

1.一种用于时分双工模式的功率放大电路，其特征在于，所述功率放大电路包括功率放大偏置电路和时分双工切换电路；
所述功率放大偏置电路用于在功率放大器中产生恒定的静态电流；所述功率放大偏置电路包括第一场效应管和第二场效应管，并且，第一场效应管和第二场效应管形成镜像电流源；
所述时分双工切换电路用于切换串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻。
2.根据权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述第一场效应管作为射频功率放大器，所述第二场效应管作为第一场效应管的镜像，如果第二场效应管中的静态电流保持恒定，则第一场效应管中的静态电流保持恒定。
3.根据权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述时分双工切换电路基于以下规则对串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻进行切换：在偏置电压的瞬态切换期间，串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻为阻值小的电阻，以满足快速时分双工转换的要求；在环境温度变化时，串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻为阻值大的电阻，以在功率放大偏置电路中获得较好的静态电流温度补偿。
4.根据权利要求3所述的功率放大电路，其特征在于，所述时分双工切换电路包括多个开关三极管，一个二极管，以及多个电阻；
其中，所述开关三极管通过控制Vgs电压的开关来切换串联至所述功率放大偏置电路的门电路的电阻；
所述二极管用于对开关三极管的进行补偿由于三极管Vbe电压随温度变化而带来的开启时间的变化。
5.根据权利要求4所述的功率放大电路，其特征在于，所述开关三极管和二极管采用同类半导体材料。
6.根据权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，所述时分双工切换电路的一端与电容装置相连，所述电容装置由多个耦合的电容器组成。
7.根据权利要求1所述的功率放大电路，其特征在于，在所述功率放大偏置电路和时分双工切换电路之间还包括电阻，该电阻用于抑制功率放大偏置电路所产生的振荡峰值。
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